含双裂隙组灰岩边坡渐进失稳过程分析①

汪志林，叶海旺，李子旋，雷 涛

（1.矿物资源加工与环境湖北省重点实验室，湖北 武汉430070；2.武汉理工大学 资源与环境工程学院，湖北 武汉430070）

近年来，受国家基建项目对水泥和砂石骨料需求剧增的影响，我国大规模露天灰岩矿山的数量也越来越多。然而，作为一种典型的沉积岩，在后期地质运动作用下，灰岩中往往分布着两组以上的裂隙，其稳定性更易受到裂隙组分布形式的影响，失稳机制也更加复杂。因此，如何预估含有两组及多组裂隙岩体边坡的破坏过程，揭示其破坏模式，采取有效的工程措施，是近年来相关学者关注的重要课题之一［1－4］。

针对裂隙的不同分布形式对岩质边坡破坏模式的影响成果丰硕［5－14］。但对双组裂隙边坡尚未开展过成体系的研究。究其原因是在传统数值模拟中，依赖于连续介质理论的强度折减难以重现边坡动态失稳过程。

针对上述问题，本文以山西省某灰岩矿山为背景，引入可更有效呈现边坡失稳过程的离散元法，基于MatDEM离散元软件的二次开发功能，建立了含双组裂隙边坡的数值计算模型，研究了双裂隙组灰岩边坡的渐进失稳过程。

1 工程概况

某石灰石矿山位于山西省朔州市怀仁县何家堡乡悟道村南西1 km至楼子口村北西1.2 km处，地理坐标东经112°57′26″～112°59′03″，北纬39°49′08″～39°50′35″，矿区北东-南西长3.23 km，北西-南东宽0.45 km，面积1.454 km2。矿区位于大同盆地西侧洪涛山山脉中部，区内山势陡峭，西高东低，地形高差较大，最低海拔1 175 m，最高海拔1 575 m，相对高差约400 m，沟谷呈近东西向分布，切割深度较大。矿区东侧集宁群分布区属低山丘陵区。矿区岩体为石灰岩、泥灰岩等，岩质坚硬致密。在现场地质勘查过程中，未发现有大的断裂通过，但岩体裂隙非常发育，现场典型岩体结构如图1所示。从图1可看出，边坡内主要分布着两组平行的裂隙，裂隙间距约为10 m，其中一组为竖向裂隙组，另一组为与工作平台成45°的倾斜裂隙组，如图中虚线所示。

图1 典型灰岩边坡岩体结构

2 数值模拟实验

2.1 MatDEM颗粒离散元计算流程

MatDEM（Fast GPU Matrix computing of Discrete Element Method）软件是南京大学自主开发的岩土体三维离散元模拟软件，该软件基于创新的GPU矩阵离散元法，使用MATLAB语言编写，具有计算效率高、宏微观力学性质明确和强大的二次开发功能等优点［15］。利用MatDEM软件二次开发功能研发了双裂隙组边坡的数值模拟实验，整个数值模拟实验过程可分为以下步骤：

1）根据边坡几何尺寸确定合适的模型盒尺寸并充满单元颗粒，接着在上部施加压力压实单元颗粒模拟自然堆积得到初始的地层堆积模型。

2）按照边坡的具体尺寸对地层堆积模型进行切割并删除多余的单元颗粒得到完整的边坡模型。

3）根据裂隙组的位置对边坡模型进行分组建立裂隙组单元和基质组单元，接着对两组单元分别设置不同的材料参数，然后初始平衡得到边坡实验模型。

4）初始模型在边坡自重的条件下不断平衡迭代计算，过程中监测模型的位移和摩擦热数值，当位移和摩擦热数据满足破坏判据时，停止计算。

2.2 双裂隙岩体边坡的离散元模型

为了探究双裂隙组岩质边坡的渐进失稳过程，以图1所示的典型灰岩边坡为蓝本建立基本的离散元模型，主要用于研究双裂隙岩质边坡的渐进失稳动态过程。模型如图2所示，其边坡角60°，坡高45 m，裂隙设置区域如图中浅色线条所示，其中颗粒单元数12 334个、平均粒径0.25 m、分散性系数0.2。

图2 双裂隙组边坡数值模型

2.3 材料参数

输入岩石的宏观力学参数后，根据文献［16］给出的紧密堆积离散元模型单元力学参数与模型整体力学性质之间的解析解，经过多次材料模拟试算，确定了模型单元平均微观力学参数，对岩体和裂隙分别设置不同的材料参数如表1所示。

表1 模型材料宏微观参数

3 数值模拟实验结果分析

3.1 边坡渐进失稳过程分析

边坡破坏是一个复杂的渐进过程，其中包含着复杂的力学变化行为，也伴随着裂隙的形成、发展、贯通及滑移面形成。基于图2所示的模型，从位移变化和摩擦热特性两个方面分析双裂隙边坡的渐进破坏过程。

图3 为双裂隙边坡的破坏过程示意图。根据边坡滑移面数量和滑体运动状态将边坡破坏过程分为裂隙贯通、初层滑动、二层滑动和三层滑动共4个阶段。从图3可以看出，当时间步为4 000步时，边坡很完整，没有产生位移和摩擦热，此时边坡仍处于稳定状态；当时间步为5 200步时，边坡表面出现贯通的裂隙，在坡脚处产生少量位移且没有摩擦热生成，此时边坡在剪切作用下形成贯通的圆弧剪切裂隙和初始滑体；当时间步为6 000步时，初始滑体已经脱离边坡体，在重力作用下向下滑移，滑移体产生初始位移并在滑面上产生少量摩擦热；当时间步为7 600步时，产生了2个滑面，滑体位移明显增加且在2个滑面上都有大量摩擦热生成；当时间步为10 000步时，边坡体形成了由表及里的3层滑移体，不同滑移面在坡脚处逐渐合为一体，此时边坡已经完全失稳，边坡表面位移过大且在滑面上产生大量摩擦热。对比图3（e）和图2还可以发现：3个滑移面的上部与3条竖向裂隙的位置重合，这是由于在边坡后缘裂隙处的抗拉强度较低，发生张拉破坏而形成滑移面，故而形成了双裂隙边坡的裂隙贯通、初层滑动、二层滑动和三层滑动等4个阶段。由此可以看出，含双裂隙边坡的破坏过程是一个由表及里逐步“剪切滑移-张拉断裂”的渐进破坏过程。

图3 边坡破坏过程示意图

3.2 现场数据对比验证

矿山现场为保障安全生产建立了一套边坡监测预警系统，其中为了监测边坡变形情况、获取边坡位移数据，在重点区段边坡的坡顶表面布置了位移监测点。

为了验证数值模拟的正确性和预测边坡位移的未来变化情况，将数值模拟中监测点数据与现场监测数据进行对比，如表2所示。从表2可以看出，现场位移数据与数值模拟监测点位移数据的变化趋势是一致的，都是初始位移较小，变化几乎为0，边坡较稳定；随着时间增长，位移逐渐增大，位移增长速度逐渐加快，边坡处于加速变形阶段。矿山现场应当根据边坡变形情况，在重点边坡区域做好危险警戒和针对性的工程处理，以防止出现安全事故。

表2 现场监测与数值模拟位移数据对比

图4 为矿山边坡破坏对比图。由图4可以看出，数值模拟实验边坡上的4条滑移面与石灰石矿山坡顶出现的如图中虚线所示的4条平行张拉裂缝是一一对应的。现场边坡上部靠近坡面的③号裂缝比靠近边坡内部的④号裂缝宽度宽且贯通情况更加充分，这解释了双裂隙边坡的破坏过程是一个由表及里逐步“剪切滑移-张拉断裂”的渐进破坏过程。数值模拟结果与现场情况比较符合，充分说明MatDEM软件在含裂隙边坡渐进失稳过程研究上的可适用性。

图4 边坡破坏模式对比图

4 结 论

1）含裂隙岩体边坡由于裂隙的存在而与完整岩体边坡的失稳过程有着明显的差别，含两组裂隙边坡的破坏过程是一个由表及里逐步“剪切滑移-张拉断裂”的过程，整个破坏过程在3组竖向裂隙的控制下可分为裂隙贯通、初层滑动、二层滑动和三层滑动共4个阶段。

2）本文所采用的基于离散元的MatDEM软件在边坡破坏过程上的研究结果与矿山现场边坡的位移变化和破坏模式比较一致，证明基于离散元的MatDEM软件在研究裂隙边坡上的可适用性，能预测矿山边坡可能发生的破坏过程，可为矿山未来的监测和治理提供参考。